非晶態鎳鈷配合物與1T相二硫化鉬復合材料的合成及其電化學全解水性能研究

張志成 張 華

(南洋理工大學材料科學與工程學院，新加坡 639798)

非晶態鎳鈷配合物與1T相二硫化鉬復合材料的合成及其電化學全解水性能研究

張志成＊張 華＊

(南洋理工大學材料科學與工程學院，新加坡 639798)

氫能源是一種重要的清潔能源。目前，電解水制氫因其工藝簡單、產品純度高、無污染和原料來源經濟等特點獲得了眾多研究者的青睞1。對于電解水而言，如何設計和制備更加高效的催化材料，進一步減小過電位、降低能耗，是該領域面臨的一大挑戰。目前，Pt基合金和Ir/Ru氧化物催化劑分別被認為是電解水析氫和析氧的高活性催化劑，但是昂貴的價格和較低的自然豐度限制了其大規模工業化應用2。因此，開發制備新型高效、廉價的非貴金屬電解水催化劑引起了研究者的廣泛關注。近年來，非貴金屬全解水催化劑成為研究熱點3,4。這種催化劑既可以作為陰極材料催化產氫，又可以作為陽極材料催化產氧，能夠有效避免使用不同設備、運用不同過程制備催化材料所產生的成本，有利于大規模工業化應用。

最近，清華大學王訓教授課題組利用超薄鎳鈷氫氧化物納米片和四硫代鉬酸銨作為前驅體在N,N-二甲基甲酰胺體系中，通過引入水合肼，實現了二硫化鉬(MoS2)從2H和1T的混合相到純1T相的完全轉變，并且調節了鎳鈷部分的結晶狀態，最終形成了非晶態鎳鈷配合物和1T相MoS2的復合材料。在電化學析氫和析氧催化反應中，加入2.5 mL水合肼的樣品在10 mA·cm?2處的過電位分別為70和235 mV，在連續測試24 h中仍能保持很好的穩定性。在全解水反應中，該復合材料也展現出了優異的性能，在10 mA·cm?2處的電位可低至1.44 V，在連續測試48 h中同樣能保持很好的穩定性。此工作的相關結果發表在國際著名期刊 Nature Communications上5。

MoS2存在多種相態，其中2H相為熱力學穩定態。從能帶結構來看，2H相MoS2費米能級位于間隙之間，表現為半導體性。但是在給電子體作用下，能帶結構發生變化，此時費米能級穿過能帶，表現為金屬性，即為1T相MoS2。相比于2H相，1T相MoS2導電性更好，極大地改善了催化過程中的電子傳輸，能夠促進電解水的動力學過程，更有利于催化析氫6。為了搞清楚MoS2的相變機理，研究人員做了一系列的對照實驗和表征。他們發現在此合成體系中，水合肼是作為給電子體誘導MoS2發生完全相變，而鎳鈷配合物則起到了穩定1T相MoS2的作用。另外，水合肼在高溫下分解產生大量的N2、NH3等氣體可以作為氣體模板促進多孔結構的生成，提高材料的孔隙率，進而提供更多的催化活性位點，有利于催化傳質和氣體滲透7。

此項研究成果為發展制備新型1T相MoS2復合材料提供了新的思路，同時對非貴金屬復合材料在全解水催化當中的應用有著積極的推動作用。相比于傳統的丁基鋰輔助的插層剝離法，文中提出的水合肼誘導的 MoS2完全相變的方法也必將對高產量1T相MoS2材料的合成帶來新的契機。

(2) Jiao, Y.; Zheng, Y.; Jaroniec, M.; Qiao, S. Z. Chem. Soc. Rev. 2015, 44,2060. doi: 10.1039/c4cs00470a

(3) Yan, Y.; Xia, B. Y.; Zhao, B.; Wang, X. J. Mater. Chem. A 2016, 4,17587. doi: 10.1039/c6ta08075h

(4) Zhang, J.; Wang, T.; Pohl, D.; Rellinghaus, B.; Dong, R. H.; Liu, S. H.;Zhuang, X. D.; Feng, X. L. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 128, 6814.doi: 10.1002/anie.201602237

(5) Li, H. Y.; Chen, S. C.; Jia, X. F.; Xu, B.; Lin, H. F.; Yang, H. Z.; Li, S.;Wang, X. Nat. Commun. 2017, 8, 15377. doi: 10.1038/ncomms15377

(6) Tan, C. L.; Cao, X. H.; Wu, X. J.; He, Q. Y.; Yang, J.; Zhang, X.; Chen,J. Z.; Zhao, W.; Han, S. K.; Nam, G. H.; Sindoro, M.; Zhang, H.Chem. Rev. 2017, 117, 6225. doi: 10.1021/acs.chemrev.6b00558

(7) Zhang, X.; Liu, S. W.; Zang, Y. P.; Liu, R. R.; Liu, G. Q.; Wang,G. Z.; Zhang, Y. X.; Zhang, H. M.; Zhao, H. J. Nano Energy 2016, 30, 93. doi: 10.1016/j.nanoen.2016.09.040

Amorphous Nickel-Cobalt Complexes Hybridized with 1T Phase Molybdenum Disulfide for Enhanced Overall Water Splitting Electrocatalysis

ZHANG Zhicheng＊ZHANG Hua＊
(School of Materials Science and Engineering, Nanyang Technological University, Singapore 639798)

10.1038/nchem.1634

[Highlight]

10.3866/PKU.WHXB201705023 www.whxb.pku.edu.cn